À propos de cette page
Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Mélanges et corps purs » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Corps purs et mélanges : définitions, Mélanges homogènes et hétérogènes, Propriétés physiques d'un corps pur, Courbes de changement d'état. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).
Au programme
1 · Corps purs et mélanges : définitions
2 · Mélanges homogènes et hétérogènes
3 · Propriétés physiques d'un corps pur
4 · Courbes de changement d'état
5 · La masse volumique
6 · Techniques de séparation des mélanges
7 · Les solutions aqueuses
1Corps purs et mélanges : définitions
La matière qui nous entoure est constituée d'espèces chimiques. Selon le nombre d'espèces chimiques présentes, on distingue deux grandes catégories :
Corps pur. Un corps pur est un échantillon de matière constitué d'une unique espèce chimique. Il peut être simple (formé d'atomes d'un seul élément, ex. dioxygène $\text{O}_2$, cuivre $\text{Cu}$) ou composé (formé d'atomes de plusieurs éléments, ex. eau $\text{H}_2\text{O}$, glucose $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$).
Mélange. Un mélange est un échantillon de matière constitué d'au moins deux espèces chimiques différentes. Exemples : eau salée (eau + sel), air (diazote + dioxygène + …), lait.
Exemple. L'or 18 carats contient 75 % d'or et 25 % d'autres métaux : c'est un mélange (un alliage). L'or pur 24 carats est un corps pur simple.
Astuce. Pour décider si un échantillon est un corps pur ou un mélange, cherche si sa composition est fixe et unique (corps pur) ou variable (mélange).
2Mélanges homogènes et hétérogènes
Les mélanges se subdivisent selon leur aspect visuel à l'œil nu :
| Type | Aspect | Exemples |
|---|
| Homogène | Une seule phase visible, uniforme à l'œil nu | eau sucrée, air, acier, sirop |
| Hétérogène | Plusieurs phases distinctes visibles | vinaigrette, eau + huile, sable + fer, lait (colloïde) |
Phase. Une phase est une partie du système d'aspect uniforme, séparée des autres par une interface. Un mélange hétérogène contient au moins deux phases.
Attention ! Un mélange peut sembler homogène à l'œil nu mais être hétérogène au microscope (ex. lait = émulsion). La distinction dépend de l'échelle d'observation précisée.
Exemple. L'eau et l'éthanol se mélangent en toutes proportions : le mélange est homogène. L'eau et l'huile ne se mélangent pas : le mélange est hétérogène (deux phases liquides).
Classification de la matière : corps purs simples/composés et mélanges homogènes/hétérogènes.
3Propriétés physiques d'un corps pur
Chaque corps pur possède des propriétés physiques caractéristiques qui permettent de l'identifier. Ces valeurs sont constantes, indépendantes de la quantité d'échantillon.
| Propriété | Symbole | Unité SI | Exemple (eau) |
|---|
| Température de fusion | $T_f$ | °C ou K | $0\,°\text{C}$ |
| Température d'ébullition | $T_{\text{éb}}$ | °C ou K | $100\,°\text{C}$ (sous 1 atm) |
| Masse volumique | $\rho$ | $\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ ou $\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$ | $1{,}00\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ |
| Solubilité | $s$ | $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ | $\infty$ (miscible) |
Identification. Pour identifier un corps pur, on mesure ses propriétés physiques et on les compare aux valeurs tabulées. Si toutes les valeurs concordent, on peut conclure à la présence de cette espèce chimique.
Attention ! Un mélange n'a pas de valeurs fixes : ses propriétés dépendent de la composition (ex. la température d'ébullition d'une eau salée dépend de la concentration en sel).
Astuce. Les propriétés physiques sont intensives (ne dépendent pas de la quantité de matière) : elles permettent d'identifier une espèce, quelle que soit la masse de l'échantillon.
4Courbes de changement d'état
Lors d'un changement d'état (fusion, solidification, ébullition, condensation), la température d'un corps pur reste constante (palier). C'est un critère de pureté.
Palier de changement d'état. Pendant le changement d'état d'un corps pur, la température est constante et égale à $T_f$ (fusion/solidification) ou $T_{\text{éb}}$ (vaporisation/condensation). L'énergie échangée sert à modifier l'état physique, pas à augmenter la température.
Courbe de chauffage de l'eau pure : paliers à 0 °C (fusion) et 100 °C (ébullition). Un mélange ne présente pas de palier net.
Attention ! Pour un mélange, il n'y a pas de palier horizontal mais un changement progressif de température : c'est l'absence de palier net qui révèle l'impureté.
Exemple. On chauffe un échantillon inconnu et on note un palier à $78\,°\text{C}$ : cette valeur correspond à la température d'ébullition de l'éthanol. On peut en conclure que l'échantillon est probablement de l'éthanol pur.
5La masse volumique
La masse volumique est l'une des propriétés physiques les plus utilisées pour identifier un corps pur ou caractériser un mélange.
Masse volumique. La masse volumique $\rho$ d'un corps est le rapport entre sa masse $m$ et son volume $V$ :
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Unité : $\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ (ou $\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$).
Exemple. Un échantillon de cuivre de masse $m = 89{,}2\,\text{g}$ occupe un volume $V = 10{,}0\,\text{cm}^3$.
$$\rho = \frac{89{,}2}{10{,}0} = 8{,}92\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$$
La valeur tabulée du cuivre est $8{,}96\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ : l'échantillon est cohérent avec du cuivre pur.
Astuce méthode. Pour mesurer le volume d'un solide irrégulier, on utilise la méthode de déplacement d'eau (éprouvette graduée) : $V_{\text{solide}} = V_{\text{final}} - V_{\text{initial}}$.
Comparaison des masses volumiques : les corps dont $\rho < 1\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ flottent sur l'eau.
Attention aux unités ! $1\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3} = 1000\,\text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$. Ne pas confondre les deux systèmes d'unités lors d'un calcul.
6Techniques de séparation des mélanges
Pour extraire une espèce chimique d'un mélange ou purifier un corps, on utilise différentes techniques selon la nature des phases en présence.
| Technique | Principe | Application |
|---|
| Filtration | Séparation solide/liquide par passage à travers un filtre | eau + sable, jus de fruit |
| Décantation | Séparation par différence de masse volumique (phases non miscibles) | eau + huile, limon dans l'eau |
| Distillation | Séparation par différence de températures d'ébullition | eau + éthanol, eau de mer |
| Chromatographie | Séparation par différence d'affinité pour deux phases (mobile/stationnaire) | colorants alimentaires, encre |
| Extraction par solvant | Extraction d'un soluté dans un solvant dans lequel il est plus soluble | caféine du café, huiles essentielles |
| Recristallisation | Purification par dissolution puis refroidissement contrôlé | purification du sel, du sucre |
Distillation. On chauffe le mélange dans un ballon ; la vapeur du composé le plus volatil (le plus bas $T_{\text{éb}}$) monte, passe dans un réfrigérant, se condense et est recueillie. Le composé moins volatil reste dans le ballon.
Principe de la distillation : séparation par différence de températures d'ébullition.
Chromatographie sur couche mince (CCM). On dépose des spots sur une plaque de silice ; l'éluant monte par capillarité et entraîne les espèces à des hauteurs différentes. Le rapport frontal $R_f = \frac{\text{distance espèce}}{\text{distance front solvant}}$ est caractéristique de chaque espèce dans un système donné.
7Les solutions aqueuses
Une solution aqueuse est un mélange homogène dans lequel l'eau est le solvant et les substances dissoutes sont les solutés.
Concentration en masse. La concentration en masse $C_m$ d'un soluté dans une solution est :
$$C_m = \frac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}}$$
Unité : $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$.
Exemple. On dissout $5{,}0\,\text{g}$ de sel dans de l'eau pour obtenir $250\,\text{mL} = 0{,}250\,\text{L}$ de solution.
$$C_m = \frac{5{,}0}{0{,}250} = 20{,}0\,\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$$
Solubilité. La solubilité $s$ d'un soluté dans un solvant est la concentration maximale de ce soluté en solution (à une température donnée). Au-delà, le soluté ne se dissout plus : la solution est saturée.
Astuce. Solubilité du chlorure de sodium dans l'eau à 20 °C : $s = 360\,\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$. Cela signifie qu'on ne peut pas dissoudre plus de 360 g de NaCl par litre d'eau à 20 °C.
Attention aux unités de volume ! La concentration $C_m$ se calcule avec le volume de la solution (pas du solvant seul). $1\,\text{L} = 1\,000\,\text{mL} = 1\,000\,\text{cm}^3$.
★À retenir
À retenir :
• Un corps pur = une seule espèce chimique ; un mélange = au moins deux espèces.
• Mélange homogène : une seule phase visible ; hétérogène : plusieurs phases distinctes.
• Les propriétés physiques d'un corps pur ($T_f$, $T_{\text{éb}}$, $\rho$) sont fixes et caractéristiques : elles permettent l'identification.
• Lors du changement d'état d'un corps pur, la température est constante (palier) ; un mélange n'a pas de palier net.
• Masse volumique : $\rho = m/V$ (g·cm⁻³ ou kg·m⁻³).
• Techniques de séparation : filtration (solide/liquide), décantation (non miscibles), distillation (différents $T_{\text{éb}}$), chromatographie (CCM).
• Concentration en masse : $C_m = m_{\text{soluté}} / V_{\text{solution}}$ (g·L⁻¹).